微電子器件物理

目錄
《信息科學技術(shù)學術(shù)著作叢書》序
前言
主要符號表
第1章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識介紹 1
1.1 半導(dǎo)體材料及晶體結(jié)構(gòu)的基本知識 1
1.1.1 半導(dǎo)體材料 1
1.1.2 晶體結(jié)構(gòu) 3
1.1.3 Si的晶體結(jié)構(gòu) 8
1.2 能帶及能帶理論 14
1.2.1 原子模型和薛定諤方程 14
1.2.2 自由空間、氫原子及有限空間中薛定諤方程的解 15
1.2.3 能帶和布洛赫波 19
1.2.4 k空間與第一布里淵區(qū) 22
1.3 固體的電傳導(dǎo)機理 24
1.3.1 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶 24
1.3.2 有效質(zhì)量 26
1.3.3 能帶結(jié)構(gòu) 28
1.3.4 摻雜 30
1.4 載流子的統(tǒng)計分布 33
1.4.1 狀態(tài)密度 33
1.4.2 費米分布、費米能級及玻爾茲曼分布 35
1.4.3 半導(dǎo)體中的電子濃度和空穴濃度 37
1.4.4 熱平衡條件下半導(dǎo)體中的載流子濃度、費米能級位置 39
1.5 非平衡載流子 43
1.5.1 準費米能級 44
1.5.2 多子與少子 45
1.5.3 復(fù)合理論 46
1.6 載流子輸運理論 53
1.6.1 漂移 54
1.6.2 擴散 60
1.6.3 強場效應(yīng) 63
1.7 半導(dǎo)體工作方程——電流密度方程與電流連續(xù)性方程 66
1.7.1 泊松方程 67
1.7.2 電流密度方程 67
1.7.3 電流連續(xù)性方程 67
1.7.4 半導(dǎo)體方程的應(yīng)用舉例 69
習題 71
第2章 PN結(jié)及二極管 73
2.1 概述 73
2.2 平衡PN結(jié) 74
2.2.1 平衡PN結(jié)、能帶圖與內(nèi)建電勢 75
2.2.2 空間電荷區(qū)的分析與耗盡層近似理論 78
2.2.3 開路時正、反向偏置PN結(jié) 81
2.2.4 結(jié)電容 83
2.2.5 線性緩變結(jié)及其性質(zhì) 84
2.3 PN結(jié)的直流特性 85
2.3.1 理想PN結(jié)的直流I-V特性——Shockley方程 85
2.3.2 實際PN結(jié)的直流特性 93
2.4 小信號特性——擴散電導(dǎo)與擴散電容 99
2.4.1 小信號電流的連續(xù)性方程 100
2.4.2 小信號電流與電壓關(guān)系 101
2.4.3 擴散電導(dǎo)和擴散電容 102
2.4.4 小信號等效電路 103
2.5 電荷存儲效應(yīng)及開關(guān)特性 103
2.5.1 正向偏置時準中性區(qū)的存儲電荷 104
2.5.2 開關(guān)的瞬態(tài)過程 104
2.5.3 電荷控制方程 106
2.5.4 開關(guān)時間 106
2.6 PN結(jié)的擊穿特性 109
2.6.1 擊穿及擊穿的分類 109
2.6.2 雪崩擊穿的條件 110
2.6.3 實際PN結(jié)的擊穿 114
2.6.4 穿通擊穿 115
2.7 溫敏特性 116
2.7.1 反向偏置時的溫敏特性 116
2.7.2 正向偏置時的溫敏特性 117
2.8 異質(zhì)PN結(jié) 118
2.8.1 異質(zhì)結(jié)的分類 119
2.8.2 平衡異質(zhì)結(jié)能帶圖及內(nèi)建電勢 120
2.8.3 平衡異質(zhì)結(jié)空間電荷區(qū)相關(guān)的計算公式 121
習題 122
參考文獻 123
第3章 雙極型晶體管 124
3.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理簡述 124
3.1.1 基本結(jié)構(gòu) 124
3.1.2 正向有源放大模式的工作條件 125
3.1.3 正向有源放大模式下的端電流分析 126
3.1.4 直流電流增益 127
3.2 理想晶體管的直流電流-電壓關(guān)系 129
3.2.1 正向有源放大模式下少子分布 129
3.2.2 理想晶體管的電流 133
3.2.3 正向有源放大模式下電流增益 134
3.3 非理想特性分析 136
3.3.1 緩變基區(qū)晶體管 137
3.3.2 基區(qū)擴展電阻和發(fā)射極電流集邊效應(yīng) 139
3.3.3 發(fā)射區(qū)重摻雜效應(yīng) 140
3.3.4 基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng) 142
3.3.5 薩哈效應(yīng)和韋氏效應(yīng) 144
3.3.6 基區(qū)展寬效應(yīng) 146
3.4 工作曲線及擊穿特性 149
3.4.1 共基極接法 149
3.4.2 共發(fā)射極接法 150
3.4.3 反向飽和電流 151
3.4.4 擊穿電壓 152
3.4.5 穿通擊穿 153
3.5 器件模型 155
3.5.1 E-M模型 155
3.5.2 G-P模型 156
3.6 小信號響應(yīng)——頻率特性 159
3.6.1 小信號等效電路 159
3.6.2 頻率特性分析 161
3.6.3 特征頻率及渡越時間 164
3.6.4 增益帶寬乘積 166
3.6.5 最高工作頻率 166
3.7 開關(guān)特性 167
3.7.1 開關(guān)電路、開態(tài)與關(guān)態(tài) 167
3.7.2 開關(guān)過程 169
3.7.3 開關(guān)模式及飽和深度 171
3.7.4 提高開關(guān)速度的途徑及鉗位二極管 172
3.8 新型晶體管 172
3.8.1 AlxGa1-xAs寬帶隙發(fā)射極晶體管 173
3.8.2 鍺硅基區(qū)晶體管 175
習題 176
第4章 MOS電容 178
4.1 理想MOS結(jié)構(gòu)及性質(zhì) 178
4.1.1 理想MOS結(jié)構(gòu)的定義 178
4.1.2 半導(dǎo)體表面狀態(tài) 179
4.1.3 理想MOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓及強反型以后的最大耗盡層寬度 183
4.1.4 半導(dǎo)體表面電荷與表面勢 185
4.2 實際MOS電容的平帶電壓及閾值電壓 187
4.2.1 金屬-半導(dǎo)體功函數(shù)差 188
4.2.2 氧化物電荷及其影響 190
4.3 MOS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性 193
4.3.1 理想MOS電容的C-V特性 193
4.3.2 實際MOS電容的C-V曲線 198
習題 200
第5章 MOSFET 202
5.1 理想MOSFET基本原理及特性 203
5.1.1 基本結(jié)構(gòu)及參數(shù) 203
5.1.2 MOSFET原理及特性的一般描述 203
5.1.3 MOSFET I-V特性的理論推導(dǎo) 206
5.1.4 跨導(dǎo)和漏導(dǎo) 209
5.2 MOSFET的非理想效應(yīng) 210
5.2.1 溝道長度調(diào)制效應(yīng) 210
5.2.2 有效遷移率 212
5.2.3 亞閾電流及亞閾擺幅 213
5.3 閾值電壓的調(diào)整 217
5.3.1 多晶硅柵 218
5.3.2 襯底摻雜濃度 218
5.3.3 氧化層厚度 218
5.3.4 襯底偏壓——體效應(yīng) 220
5.4 頻率特性 223
5.4.1 小信號等效電路 223
5.4.2 實際的漏導(dǎo)和跨導(dǎo) 223
5.4.3 頻率特性的限制因素及米勒電容 225
5.4.4 特征頻率 226
5.5 短溝道效應(yīng) 227
5.5.1 閾值電壓的短溝、窄溝效應(yīng) 227
5.5.2 漏感應(yīng)勢壘降低效應(yīng) 231
5.5.3 穿通效應(yīng) 232
5.5.4 速度飽和及其漏電流飽和電壓 233
5.5.5 高場效應(yīng) 236
5.6 CMOS技術(shù)簡介 239
5.6.1 基本結(jié)構(gòu)及特點 239
5.6.2 閂鎖效應(yīng) 239
習題 240
第6章 納米CMOS器件 242
6.1 微縮律 243
6.2 納米CMOS器件中的物理問題 244
6.2.1 與薄氧化層相關(guān)的物理問題 244
6.2.2 反型層量子效應(yīng) 250
6.2.3 遷移率退化及速度飽和 252
6.2.4 雜質(zhì)隨機分布 254
6.2.5 閾值電壓降低的限制條件 257
6.2.6 源漏電阻 260
6.3 納米CMOS中的新技術(shù) 264
6.3.1 柵工程 264
6.3.2 溝道工程 268
6.4 新型結(jié)構(gòu)納米CMOS器件 274
6.4.1 SOI 274
6.4.2 UTB-SOI、雙柵和FinFET 278
6.4.3 應(yīng)變硅技術(shù) 285
6.4.4 高K介質(zhì)與金屬柵 294
參考文獻 295
第7章 金屬-半導(dǎo)體接觸及結(jié)型場效應(yīng)晶體管 298
7.1 金屬-半導(dǎo)體接觸 298
7.1.1 肖特基結(jié) 299
7.1.2 肖特基二極管 308
7.1.3 肖特基二極管和PN結(jié)二極管的比較 309
7.1.4 肖特基二極管的頻率特性 311
7.1.5 箝位晶體管 312
7.1.6 歐姆接觸 313
7.2 金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 314
7.2.1 器件結(jié)構(gòu) 314
7.2.2 工作原理 315
7.2.3 夾斷電壓、閾值電壓和漏飽和電壓 316
7.2.4 電流-電壓關(guān)系的理論推導(dǎo) 317
7.2.5 靜態(tài)特性 319
7.2.6 小信號等效電路和特征頻率 320
7.2.7 MESFET的分類及JFET 322
7.3 異質(zhì)結(jié)MESFET和HEMT 324
7.3.1 二維電子氣的形成及其性質(zhì) 324
7.3.2 二維電子氣的性質(zhì) 325
7.3.3 HEMT的工作原理 327
習題 329
附表 331
附表1 常用物理常數(shù)表 331
附表2 Si和GaAs在300K時的重要性質(zhì) 332
附表3 重要半導(dǎo)體材料的特性 333